L’électrification des véhicules fait aujourd’hui partie des moyens utilisés par l’industrie du transport pour limiter ses émissions de carbone. Les constructeurs de VE sont cependant confrontés à un obstacle majeur lié au coût de fabrication élevé des batteries lithium-ion. Cela se traduit par des prix élevés des voitures électrifiées sur le marché. En effet, ce type de batterie utilise principalement du cobalt comme matériau de cathode. Ce métal est apprécié pour sa stabilité et sa densité énergétique élevées. Il présente toutefois quelques inconvénients à ne pas négliger.
Le cobalt est rare sur Terre alors que les besoins mondiaux en ce métal augmentent sans cesse. Ce qui fait fortement grimper ses prix. De plus, l’extraction de ce matériau produit des déchets toxiques et nocifs pour l’environnement. Pour remédier à ces problèmes économiques et écologiques, des chercheurs se concentrent au développement des matériaux de cathode alternatifs à ce métal rare. Dans une étude récente, des chimistes du Massachusetts Institute of Technology sont notamment parvenus à créer une nouvelle cathode organique stratifiée à la fois performante, durable et moins coûteuse pour les batteries lithium-ion. Découverte.
ACS Central Science DOI: 10.1021/acscentsci.3c01478
Un nouveau matériau de batterie entièrement organique
Les matériaux organiques constituent une alternative intéressante au cobalt pour les batteries au lithium. Mais jusqu’à présent, la plupart d’entre eux n’arrivent pas à atteindre les performances de cette cathode traditionnelle, notamment sa conductivité électrique, sa capacité de stockage et sa durée de vie. Les chercheurs les mélangeaient souvent à des liants comme les polymères afin d’améliorer leur conductivité. Cependant, ces liants peuvent entraîner une baisse significative de la capacité de stockage de la batterie.
Le professeur Mircea Dincă, auteur principal de cette étude, et son équipe ont annoncé avoir surmonté ces contraintes en développant un matériau de cathode entièrement organique. Au début de leur recherche, financée par le constructeur automobile Lamborghini, ils ont travaillé sur des matériaux poreux, en partie organiques et en partie inorganiques. Mais ils ont découvert que le matériau 100 % organique nouvellement développé pourrait présenter une meilleure conductivité. Ils se sont donc focalisés sur cette découverte.
Une cathode innovante et efficace
Cette équipe de chercheurs a mis au point un matériau de cathode composé de multiples couches de TAQ (bis-tétraaminobenzoquinone), une minuscule molécule organique comprenant trois anneaux hexagonaux fusionnés. Selon elle, ces couches de molécule ont la capacité de s’étendre dans toutes les directions, permettant ainsi d’obtenir une structure similaire à celle du graphite. Les chimistes ont précisé que ces molécules contiennent des quinones et des amines. D’une part, les quinones constituent des réservoirs d’électrons. D’autre part, les amines stimulent la formation de fortes liaisons hydrogène dans le matériau.
Grâce à ces liaisons hydrogène, le matériau serait devenu particulièrement stable et insoluble. Ces chimistes ont noté que cette insolubilité est essentielle afin d’éviter que le matériau organique ne se dissolve dans l’électrolyte de la batterie. Selon eux, cette caractéristique prolonge la durée de vie du dispositif de stockage d’énergie. Le professeur Mircea Dincă a expliqué que, lorsque le matériau de cathode est complètement insoluble, la batterie Li-ion peut atteindre plus de 2 000 cycles de charge avec une dégradation minimale.
Les autres caractéristiques de ce matériau
D’après les résultats des tests, cette cathode organique affiche une conductivité et une capacité de stockage similaires à celles des batteries au cobalt. De plus, les batteries dotées de ce matériau ont montré une vitesse de chargement exceptionnelle. Cela pourrait améliorer le taux de charge des VE. Afin d’augmenter la stabilité et la capacité d’adhésion du matériau au collecteur de courant de la batterie, l’équipe y a ajouté des matériaux de remplissage tels que la cellulose et le caoutchouc. Il est à noter que Lamborghini détient une licence pour le brevet de cette technologie. Plus d’informations : News.mit.edu. Que pensez-vous de cette invention ? Nous vous invitons à nous donner votre avis, vos remarques ou nous remonter une erreur dans le texte, cliquez ici pour publier un commentaire .